基于GPS监测网的地表移动变形规律的研究-测绘工程本科毕业设计.docx

河南理工大学本科生毕业论文河南理工大学毕业设计题目：基于GPS监测网的地表移动变形规律的研究学院：测绘学院专业：测绘工程年级：测绘卓越1201班姓名：刘路遥指导教师：张文志日期：20160516摘要我国人口众多、土地资源不足、耕地日益减少与经济建设的迅速发展越来越不适应。煤炭作为我国重要能源之一，国民经济建设需求其大规模开发和利用，当煤层被开采出以后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在这种平衡形成的过程中，煤层的周围岩层以及地表产生的移动、变形和破坏，我们把这种现象称为“开采沉陷”。因此，煤层开采既给人类带来了巨大的经济与社会效益，也破坏了矿山的原有地形、地貌和自然景观，留下荒芜的采矿场或者坍塌的采空区。开采沉陷对环境的影响是多方面的，而土地是受其影响较为严重的方面。本文从开采沉陷的过程中分析的数据以及对地表变形的GPS观测数据进行分析，对地表变形移动的形式和规律进行大体分析，使人们可以了解变形规律，在规律中把握认识，以便于做到科学开采，以及矿区的保护工作，进行开采活动时候必须充分考虑生态环境的承载能力，牺牲生态环境为代价的做法是不可取的。关键词：开采沉陷、GPS变形监测、变形移动规律AbstractChinas large population, shortage of land resources, declining arable land and rapid development of economic construction more suited. Coal as an important energy country, national economic development needs of its large-scale development and utilization of coal seam is mined in the future when the original stress equilibrium state mining region surrounding rock mass damage, stress redistribution, reach a new equilibrium. In the process of the formation of this balance, the surrounding rock movement and surface coal seam produced, deformation and destruction, we call this phenomenon subsidence. Thus, coal mining has brought to mankind both enormous economic and social benefits, but also destroyed the original topography and natural landscape mine, leaving barren quarry collapse or gob. Mining subsidence on environment are manifold, but the land is affected by more serious aspect. In this paper, the process of mining subsidence analysis of data and the GPS observation data to analyze the surface deformation, deformation of the surface forms and patterns of movement for gross analysis, so that people can understand the deformation law, to grasp in understanding the law in order to achieve scientific exploration, and work to protect mine, mining activities must be fully considered when the carrying capacity of the ecological environment, the cost of sacrificing the ecological environment is not desirable.Keywords: mining subsidence, GPS deformation monitoring, deformation movement law目录摘要2关键词：21引言61.1地表移动变形概述61.1.1基本概念61.1.2地表移动盆地的形成61.1.3充分采动程度71.1.4地表移动盆地主断面71.2 GPS变形监测数据处理方法的现状81.3本文研究的内容与意义82 GPS数据的获取与处理92.1测区概况和任务要求92.1.1测区概况92.1.2测量任务要求102.2作业依据的规范及测量控制系统102.2.1作业依据的规范与测量控制系统102.3已有测量成果及其分析利用103测量方法113.1平面控制测量113.1.1地面E级GPS控制网设计113.1.2 GPS控制网布设方案113.1.3GPS控制网外业观测123.1.4 GPS控制网内业数据处理123.1.5 GPS网平差133.2高程控制测量143.2.1四等水准测量施测143.2.2四等水准网的计算153.3联系测量153.2.1煤业副斜井地面连接方法153.2.2煤业行人斜井地面连接方法153.2.3导入高程153.4井下导线测量与井下高程测量153.4.1井下导线测量153.4.2井下高程测量153.5.1设置时间163.5.2设站要求163.5.3观测工作的开展174数据的处理184.1观测成果的处理和分析184.1.1测点坐标成果184.1.2移动和变形的计算214.1.3测量成果分析224.2概率积分法预计参数求取364.2.1预计参数的物理意义及其求定364.2.2最小二乘法数据拟合原理374.2.3求参数结果375结论40致谢41参考文献421引言1.1地表移动变形概述1.1.1基本概念当地下煤层被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平衡状态。但是当对煤层进行采出之后，便会在岩层内形成一个开采空洞区，以至于周围岩体之前的平衡状态遭到破坏，久而久之会引起应力的重新分布，从而使内部岩体产生移动、变形等的破坏，直至最终达到新的平衡。随着工作面的推进，这一过程不断重复。这是十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏过程，这一过程和现象称为岩层移动（Strata Movement）。要知道其移动变形规律，首要要明白它的变形形成的原因。为了便于理解，以及水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏过程和应力状态的变化。当地的下煤层开采后，采空区顶板的镂空岩石在自身重力影响下以及它上面岩层对其挤压的作用下，便会不堪重负，变形弯曲向下坍塌。如下图所示。由于地下岩石移动和破坏的结果，使采空区周围岩体的应力效果进行重新分布，形成增压区和减压区。在采空区边界煤柱机器边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3到4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被压缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区。由于增压的效果，使煤柱的承受能力弱的地方被压碎，那么其支承的能力就开始减弱，于是支承压力的重心向煤壁处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采空前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。 1.1.2地表移动盆地的形成地表移动盆地不是一下子形成的，而是在工作面持续推进的过程中慢慢形成的。一般是当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当于采深的1/4-1/2时，开采影响波及到地表，引起地表下沉。之后，随着开采工作的继续前进，采空的区域也慢慢增大，从而对于地表的影响范围也不断扩大，地面的下沉值也增加数值，下沉盆地的范围同样扩大。当采空区达到一定程度时，最大下沉值将不再增加而形成一个平底的下沉盆地（如下图）。当开采工作停止以后，对于地表的影响并不会马上停止，还要连续一段时间才能稳定，但最终会形成地表移动盆地的稳定状态。1.1.3充分采动程度根据开采程度对地表影响，一般将地表下沉盆地分别分为三种类型（1）非充分采动下的下沉盆地当采空区尺寸小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大值，这种采动称为非充分采动，此时地表移动盆地称为非充分采动下沉盆地，形状为漏斗形。另一方面，开采工作面在一个方向的开采达到临界值时，另外一个方向没有，这也属于非充分采动，此时地表移动盆地为槽型。（2）充分采动下沉盆地此时地表移动盆地称为充分采动下沉盆地，形状为碗形。现场实测表明，当采空区的长度和宽度均达到和超过1.2-1.4HO时，地表达到充分采动。（3）超充分采动下沉盆地当地表的下沉有多个点的达到了最大下沉值，这种开采情况称为超充分采动，此时的地表移动盆地称为超充分采动下沉盆地，形状大致为一个盆形。1.1.4地表移动盆地主断面通过地表最大下沉点所作的沿煤层走向和倾向的垂直断面。从以上定义可看出，当非充分采动和刚达到充分采动时，沿走向和倾向分别只有一个主断面；当走向达到充分采动，倾向未达到充分采动时，有无数个倾向主断面，只有一个走向主断面；当倾向达到充分采动，走向未达到充分采动，有无数个走向主断面，只有一个倾向主断面。从主断面的定义可知，地表移动盆地主断面具有如下特征：（1）在主断面上地表移动盆地的范围最大；（2）在主断面上地表移动量最大；最大下沉角就是采空区的中点和移动盆地最大下沉点在基岩面上投影点的连线与水平线之间沿煤层下山方向一侧在倾斜主断面上的夹角，常用表示。实测资料表明，最大下沉角值随煤层倾角的增大而减小。一般用如下公式表示：=90-ka表示（式中，k与岩性有关的系数；a煤层倾角。）1.2 GPS变形监测数据处理方法的现状在GPS变形监测系统中，数据处理的关键部分是观测资料的解算，使用GPS差分求解、GPS监测网平差等，正确区分变形与误差，提取变形特征，并解释其变形成因。根据变形体的研究范围，可将变形监测研究对象分为全球性变形研究；区域性变形研究；工程和局部性变形研究3类，本文主要是对后两类变形体进行研究。 根据被监测对象的特点，存在3种不同的作业和监测模式：周期性重复测量、固定连续GPS测站阵列和实时动态监测。其中，周期性重复监测是最常用的一种监测模式，一般采用静态相对定位方式进行数据处理。每一期观测值相当于进行一次相对定位，通过计算两期间监测点的位置变化(坐标差)来测定变形量。对于小范围内的监测网，有时也采用快速静态定位方式进行数据处理。固定连续GPS测站阵列是在一些重点或关键地区(如滑坡危险地段)或敏感工程建筑物(如大坝)布设永久GPS监测站，在这些测站上进行连续观测，数据传输到数据处理中心进行处理。由于研究的是缓慢变形，因此几分钟甚至几十分钟的数据可以作为一组，采用静态相对定位方式进行处理。实时动态监测模式主要是实施监测工程建筑物的动态变形，如大桥在载荷作用下的快速变形。这种监测的特点是数据采样密度高，而且要计算出每个历元的位置。目前，数据处理主要采用OTF处理方式：观测开始后用几分钟的观测数据解算整周模糊度，然后用求得的整周模糊度解算每一历元监测点的位置。1.3本文研究的内容与意义本文从开采沉陷的过程中分析的数据，对地表的移动变形规律进行分析，意在为使人们理解矿物开采对土地的各种影响形式，以及地表变形移动的形式和规律，使人们改变认识，在规律中把握认识，做到科学开采，以及矿区的保护工作，进行开采活动必须充分考虑生态环境的承载能力，决不允许以牺牲生态环境为代价，换取眼前的和局部的经济利益。主要研究手段是应用GPS技术对地形进行观测，以此得出地形移动变形的规律。2 GPS数据的获取与处理2.1测区概况和任务要求2.1.1测区概况某煤业有限公司井田面积4.1879Km2,设计生产能力45万吨/年，批采3-15号煤层，多年来一直处在基建中。于2009年11月获得了由山西省国土资源厅颁发的采矿许可证，有效期至2011年11月27日，批准开采3、9、15号煤层。根据范围内的资源状况，某有限公司计划将本矿井的生产能力由设计的45万吨/年提升至90万吨/年。井田位于某县某镇的坪上村一带，西距某县城约40km，行政区划归某县某镇管辖，原矿井面积为4.1879Km2。本次整合后3号煤范围向南及东南部扩充部分面积形成新的井田，范围为北纬*3827-354038，东经*2920-*3141，南北最宽4.05km，东西最长4.2km，扩界后面积共计9.42km2，9、15号煤保持原范围不变，具体坐标由以下10点边线界定。表2-1 矿界拐点坐标表点序号北京54坐标（6度带）西安80坐标系（6度带）XYXY3 号 煤 境 界 1*821.00*847.00*771.573*778.487 2*780.00*860.00*730.567*791.489 3*840.00*410.00*790.573*341.506 4*475.00*385.00*425.581*316.504 5*485.00*238.00*435.579*169.498 6*652.00*820.00*602.585*751.494 7*649.00*620.00*599.584*551.493 8*642.00*220.00*592.584*151.491 9*843.00*201.00*793.589*132.489 10*771.00*817.00*721.582*748.4849、15号煤境界 1*771.00*817.00*721.582*748.484 2*843.00*201.00*793.589*132.489 3*642.00*220.00*592.584*151.491 4*649.00*620.00*599.584*551.493 5*848.00*647.00*798.575*578.496 6*821.00*847.00*771.573*778.487备注：9、15号煤层的批采范围仅包括原*井田内的资源。2.1.2测量任务要求（1）利用全球卫星定位系统GPS（Global Positioning System），建立*煤业有限公司的E级GPS平面控制网，拟在培训楼顶、旧公寓楼、女公寓楼、710泵站和1301工作面周围建立6个E级GPS控制点。（2）在某煤业有限公司建立统一的高程基准，即建立四等水准网，对地面近井点施测四等水准高程。（3）实施副斜井和行人斜井联系测量，建立井下7基本控制导线。2.2作业依据的规范及测量控制系统2.2.1作业依据的规范与测量控制系统（1）作业依据的规范标准1.全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T183142001）；2.全球卫星定位系统城市测量技术规程（CJJ7397）；3.城市测量规范（CJJ899）；4.煤矿测量规程，中华人民共和国能源部，1989.01；（2）测量控制系统平面控制系统为3分带坐标，中央子午线为东经*，1954年北京坐标系；高程系统为1956年黄海高程系。2.3已有测量成果及其分析利用2012年8月，某勘探测绘有限公司为某煤业建立了D级GPS控制网。经实地调查，坪上风井、采石厂、曲堤C西3个控制点标石完好，可作为此次GPS控制网起算资料，其坐标系统为1954年北京坐标系，成果资料为3带高斯坐标。高程系统为1956年黄海高程系。高等级起算控制点资料如表2-2。点 名坐 标高 程X（m）Y（m） 等级 H（m）风井*175.460*315.4951D614.4413采石厂*512.230*888.9062D583.311 C西*747.433*277.6223D585.6114表2-2高 等 级 控 制 点 资 料从上述高等级控制点资料分析，本次测量成果平面坐标系统为1954年北京坐标系，高程系统为1956年黄海高程系。3测量方法3.1平面控制测量3.1.1地面E级GPS控制网设计（1）GPS控制网布设原则与要求在确保精度和网形结构的前提下，要应用各种检核条件进行要求，已达到统筹兼顾。（2）E级最简单独立闭合环或附合路线的边数应8；E级GPS控制网中的相邻亮点之间的平均距离要基本达到为510km，其中最小距离达到平均距离的1/31/2的要求，最大距离为平均距离的23倍；（3）至少要要均匀的分布两个以上国家高级控制点，在布网过程中布设E级GPS的点应有12个方向正常通视，这样便于对控制网进行加密和扩展；（4）当网中相邻点之间的距离小于之前要求的相邻点间最小距离时，必须做到的是两个相邻点直接进行同步观测。（5）E级GPS网相邻点间基线长度精度用式（3-1）表示，并按表3-1规定执行。 （3-1） 式中：标准差，mm； 固定误差，mm； 比例误差 系数，mm； 相邻点间距离，km。 表3-1 精 度 分 级 表 级别固定误差 mm比例误差系数D级1010E级1020对于D、E级GPS控制网，我们可以采用单频或者双频GPS接收机，另外同步观测的接收机数大于等于2台。3.1.2 GPS控制网布设方案某煤业地面控制网布设为E级GPS控制网，拟利用坪上风井、采石厂、曲堤C西3个D级GPS控制点作为该控制网的起算点，培训楼顶、旧公寓楼、女公寓楼、710泵站和1301工作面周围建立6个E级GPS控制点。点名分别为培训楼顶、旧公寓楼北、旧公寓楼、女公寓楼、710泵站、曲堤C。3.1.3GPS控制网外业观测本次某煤业E级GPS控制网外业观测拟采用四台TOPCOn Hiper型双频GPS接收机，进行精密相对定位观测，根据设计要求，拟采用4个时段观测，每个观测时段为45分钟。该仪器的标称精度为：（1+1ppmD）mm，能同时观测美国GPS卫星和俄罗斯GLOnASS卫星，同时采用L1、L2两种载波频率。每个时段观测3个同步环，6条基线边。外业观测时要求仪器工作正常，性能稳定。作业时间采用世界协调时（UTC），外业数据采集指标按表3-2执行。表3-2E级GPS测量基本技术要求规定项 目E级卫星高度角（度）15有效观测卫星数（颗）4时段中任意卫星有效观测时间（分）15观测时段长度（分）40数据采集间隔（秒）153.1.4 GPS控制网内业数据处理（1）基线解算基线解算是指对于两台或者两台以上GPS接收机同步观测的数据进行独立基线向量的平差计算过程，也称观测数据预处理。我们归结为以上主要过程：检查周跳、修正载波相位观测值卫星轨道标准化统一数据格式数据传输固定解、浮点解、三差解对观测值进行必要修正组成双差观测方程基线解算图2-1 基线处理过程（2）观测成果检验在自由网平差时应对观测成果进行检验。1.每个时段同步环的检验四台仪器同一时段组成的闭合环，坐标增量的闭合差经过计算应达到零。由于仪器开机时间不完全一致，会有误差，造成坐标增量闭合差不为零。对同步环其闭合差分量要求： （3-2）环闭合差限差： （3-3）式中：为相应级别中规定的相应精度（按实际平均边长计算）；为同步环点。2.同步边的检验重复边是指在不同时段一条基线中观测多次，有多个独立的基线值，任意两个时段所得基线差应小于该等级规定精度的倍，即。3.异步环的检验只要有非同步观测基线出现在构成多边形环路的基线向量中，该多边形环路称为异步环。异步环检验应选择一组完全独立的基线构成环进行检验，应符合下列要求： （3-4）式中：为相应级别中所规定的要求精度（按实际平均边长计算）；为同步环点数。3.1.5 GPS网平差在地各项检查合格之后，得到各独立基线向量和相应的协方差阵，那么在此基础上我们便可以进行平差计算。基线分量的改正数绝对值无约束平差中（、）应满足式（3-5）： （3-5） 式中：为相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。加入国家控制点的平面坐标，选择坐标系统，此时可进行GPS二维网的约束平差计算。在约束平差中，基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值（、）应满足式（3-6）： （3-6）式中：为相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。本次GPS网约束平差在TOPCOn随机商用软件Pinnacle中进行。3.2高程控制测量本次某煤业高程控制测量拟利用旧公寓楼作为起算点，沿公路和大车道布设，联测旧公寓楼北、女公寓楼地面控制点。3.2.1四等水准测量施测某煤业地面四等水准网，水准路线长约5km。拟采用TOPCOn S3型自动安平水准仪和3m双面水准尺进行施测。此次观测顺序为“后前前后”，且保证上、中、下三丝均能读数。观测限差及主要技术要求如表5、表6。表3-5四等水准测站观测限差等级视距长度(m)前后视距(m)前后视距累积差(m)黑红面读数之差(mm)黑红面所测高差之差(mm)四等8051035表3-6 四等水准主要技术要求等级标尺类型仪器类型附合或闭合路线长(km)测段往返测高差不符值(mm)附合或闭合路线闭合差(mm)四等双面DS1、DS315表中：R为测段长度，L为闭合或附合路线长度.3.2.2四等水准网的计算该水准网在测站和技术要求满足表5、表6要求后，拟在清华三维公司研制的nASEW98平差软件中进行严密平差计算，计算出各四等水准点的高程成果并进行精度评定。3.3联系测量3.2.1煤业副斜井地面连接方法拟利用女公寓楼为起算点，后视旧公寓楼进行导线测量，按5导线精度施测，向副斜井井口附近施测副斜1点。从副斜1点直接测到副斜井口。3.2.2煤业行人斜井地面连接方法拟利用副斜1点为起算点，后视女公寓楼进行导线测量，按5导线精度施测，向行人斜井井口附近施测行斜1点。从行斜1点直接测到行人井口。3.2.3导入高程导入高程时以女公寓楼为高程基准点，采用三角高程对向观测方法施测。3.4井下导线测量与井下高程测量3.4.1井下导线测量井下导线采用日本尼康防爆全站仪按7导线精度施测，水平角观测两个测回，边长也同样观测两个测回，在这两个观测过程中进行往返观测。在边长测量时一测回内读数较差原则上不得大于3mm，往测、返测边长化算为水平距离（经气象和倾斜改正）后的互差，原则上不得大于边长的1/6000。3.4.2井下高程测量井下导线点高程采用三角高程对向观测方法施测。3.5观测站的设置及观测3.5.1设置时间在工作面开始回采之前或者工作面已开始回采的两个过程中，观测线这时还有一定的距离，并且移动还没有波及到设站地区的地面时，就应提前将设计好的观测站注到实地上。方法：在平面图上，根据设计时所要求的测点间距，在观测站设计利用观测站附近的矿区观测线上各测点的平面位置和控制点确定各观测线，同时 各测点进行编号处理。如果矿区控制点离观测站较远，那么则需在观测站设计区域区进行插点，或者可利用其它控制点或图根点标定观测站。应该在开采前10天左右进行布置为宜，因为这时本工作面尚未开始回采，但是测点也不应布置过早，因为这样容易丢失点位。3.5.2设站要求观测站的控制点和工作测点一般用预制的混凝土桩埋设或用混凝土灌注。设计测点的构造及其埋设方法如下：测点构造为带钢筋的梯形混凝土桩，长600mm，顶部截面积为100100mm2的正方形，底部截面积为200200mm2的正方形。在预制混凝土标志桩时，在其上端内镶入长约1020cm、直径10mm左右的钢筋，在钢筋顶部刻十字丝或钻有小孔，钢筋露出混凝土桩10mm，作为测点标志的中心。埋设测点时，在标定位置上挖一个直径约0.2 0.3m、深度约0.6m的土坑，预制好后统一埋设，将混凝土桩先立坑中，水泥桩露出地面100mm，然后填土或混凝土使其牢固，每个桩要注明测点号。控制点和观测点标志桩及埋设方法如图3-1所示。在观测线附近不受1301上工作面采动影响的区域布置相互通视的2个观测站控制点，其位置的选择既要考虑便于与各观测测点联测，又要使其在观测期间能可靠保存。图3-8 观测点及控制点构造图3.5.3观测工作的开展从接到本测量任务以来，一直毫无松懈，冒着严寒开展测量工作50余人次，活跃期时间间隔时间约14天，衰退期越30天，测量时序安排见表3-2。从采集的地表移动数据来看，数据质量良好，能反映出本区开采的地表移动规律。表3-8 测量及数据处理工作时间安排情况表时间131005131019131102131116131130131208131221140104140117测点个数555555555555555555人员5人5人5人5人5人5人5人5人5人气温最高 25191710910202气温最低11643-10-7-8-3时间140223140313140330140513140624140724140827140926测点个数5555555555555555人员5人5人5人5人5人5人5人5人气温最高712192429353229气温最低20910182522194数据的处理4.1观测成果的处理和分析4.1.1测点坐标成果表4-1第一、二期观测坐标成果点号10月5日10月19日YXZYXZZR1*390.876*019.386552.142*390.876*019.386552.142ZR2*356.378*076.027554.457*356.378*076.027554.457ZR3*380.188*105.084559.766*380.188*105.084559.766Z1*400.047*141.812563.572502400.053*141.799563.595Z2*416.992*187.194565.889*417.007*187.207565.921Z3*422.176*238.583567.627*422.183*238.578567.617Z4*414.835*268.766585.879*414.871*268.736585.89Z5*399.46*288.178598.269*399.471*288.172598.284Z6*399.754*317.337608.89*399.758*317.328608.888Z7*393.99*328.031614.677*393.977*327.998614.674Z8*400.851*343.529616.185*400.835*343.533616.174Z9*389.593*363.584617.642*389.598*363.582617.64Z10*385.866*423.641609.708*385.879*423.646609.676Z11*375.294*425.811606.751*375.293*425.807606.716Z12*390.002*464.601606.369*389.999*464.634606.265Z13*373.497*490.302609.372*373.517*490.326609.192Z14*390.08*512.355613.25*390.101*512.342613.005Z15*397.238*536.695618.134*397.207*536.63617.854Z16*418.148*563.425622.483*418.173*563.332622.326Z17*410.059*591.623634.832*410.084*591.485634.741Z18*398.188*613.915640.575*398.176*613.871640.539Z19*405.281*639.535642.283*405.3*639.498642.265Z20*400.257*662.327645.514*400.241*662.308645.512Z21*399.083*687.328646.241*399.082*687.304646.233Z22*387.446*714.037646.654*387.429*714.013646.647Z23*385.236*739.466644.884*385.235*739.467644.896Z24*388.6*764.788642.759*388.588*764.761642.763 表4-2第一、二期观测坐标成果 续表4-1 Z25*401.602*786.232630.042*401.603*786.2630.051Z26*420.179*789.624632.759*420.18*789.62632.777Z27*392.352*815.766627.528*392.359*815.752627.547Z28*389.14*839.022626.691*389.136*839.003626.691Z29*388.441*864.424639.064*388.441*864.401639.079Z30*396.038*888.181642.312*396.03